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超高性能混凝土（Ulta-High-Performance Concrete，UHPC）具有高强、高韧及高耐久性，纤维增强复合材料（Fiber-Reinforced Polymer，FRP）筋具有轻质、高强及免锈蚀等特征，与UHPC结合，有望形成一种具有良好受力性能和优异耐久性的配筋混凝土结构。此外，钢筋UHPC箱型柱因良好的空间受力性能而有望广泛应用于大跨桥梁的桥墩及抗震设防等级要求较高的结构中。但是关于UHPC受压构件静力性能和钢筋UHPC箱型柱抗震性能缺乏系统深入的研究，尚未建立完备的设计方法。基于此，本文对配筋UHPC受压构件的静力性能及抗震性能进行了试验研究、数值分析和理论研究。本文主要研究内容及创新结果归纳如下：
(1)国内外学者对钢筋UHPC柱受压性能进行了试验研究，但是相应的设计方法尚未完全建立。本文对不同偏心率下钢筋UHPC柱的受压性能进行了试验研究，明确了偏心率对其受力性能的影响规律。建立了钢筋UHPC柱非线性数值分析模型，通过系统的参数分析和理论研究，提出了单曲率弯曲和无侧移框架中钢筋UHPC柱的长细比限值计算公式，修正了中国规范和美国规范中弯矩放大系数计算公式。开展了钢筋UHPC偏压柱正截面承载力分析，确定了受拉区钢纤维桥联作用的贡献和存在的尺寸效应，建立了钢筋UHPC柱承载力计算方法，为UHPC结构规范的编制提供理论依据。
(2)对FRP配筋UHPC柱受压性能的研究鲜见报道，相应的设计方法也尚未建立。本文对不同偏心率下CFRP配筋UHPC柱的受压性能进行了试验研究，明确了偏心率对其受力性能的影响规律。建立了FRP配筋UHPC柱非线性数值分析模型，通过系统的参数分析和理论研究，提出了不同FRP筋类型的配筋UHPC柱在单曲率弯曲和无侧移框架中的长细比限值计算公式。基于现有规范和文献中提出的FRP配筋普通混凝土柱二阶效应计算方法，对本文CFRP配筋UHPC柱的二阶效应进行了评估。开展了FRP配筋UHPC偏压柱正截面承载力分析，确定了受拉区钢纤维桥联作用的贡献和存在的尺寸效应，提出了受拉区UHPC等效矩形应力图折减系数k的计算公式，建立了FRP配筋UHPC柱承载力计算方法，为UHPC结构规范的编制提供依据。
(3)对钢筋UHPC箱型柱抗震性能的研究还比较薄弱，尚未建立完整的抗震设计方法。本文对不同设计参数的钢筋UHPC箱型柱进行了拟静力试验，明确了轴压比、配箍率、钢纤维体积掺量、截面类型和长细比等对其抗震性能的影响规律。通过对钢筋UHPC箱型柱在极限状态下的受力进行分析，提出了其设计轴压比限值。综合考虑箍筋和钢纤维体积掺量对UHPC基体的约束作用，提出了钢筋UHPC箱型柱中体积配箍率和钢纤维体积掺量间的等效计算公式。基于改进的双参数地震损伤模型，并结合本文试验结果和试验现象，对钢筋UHPC箱型柱的损伤状态进行了量化分类，建立了双参数地震损伤模型，为UHPC结构抗震规范的编制提供支撑。
(4)对钢筋UHPC箱型柱抗震性能进行了数值分析、理论研究和设计方法研究，为UHPC结构抗震规范的编制提供理论依据。基于ABAQUS有限元软件，对钢筋UHPC箱型柱抗震性能进行数值分析，明确了轴压比、配箍率、截面宽厚比、截面高厚比、加载方向角和构件剪跨比等参数对其抗震性能的影响规律，揭示了钢筋UHPC箱型柱的损伤失效机理。基于内力平衡条件、截面变形协调条件以及材料本构关系，提出钢筋UHPC柱特征点计算方法，结合本文试验结果，确定了钢筋UHPC柱的滞回规则，建立了钢筋UHPC柱恢复力模型并验证了其准确性。结合我国现行结构和桥梁抗震设计规范，提出了钢筋UHPC箱型柱的两水准设防目标、两阶段设计思路和抗震设计建议。
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1. 已发表学术论文（*通讯作者）
[1] Wang Qiwu, Fang Zhi*, Chen Zheng, et al. Behavior and design approach of ultra-high-performance concrete slender columns. Journal of Building Engineering, 2024, 93: 109878. (SCI, 第一作者)
[2] Wang Qiwu, Peng Fei*, Fang Zhi. Slenderness limit for reinforced ultra-high-performance concrete columns. Advances in Structural Engineering, 2024, 27(10): 1777-1790. (SCI, 第一作者)
[3] 王启吾, 方志*, 陈正. CFRP配筋超高性能混凝土柱受压性能试验. 中国公路学报, 2022, 35(2): 52-62. (EI，第一作者)
[4] 王启吾, 陈正, 方志*. 碳纤维增强复合材料筋活性粉末混凝土中长柱小偏心受压受力性能试验研究. 工业建筑, 2019, 49(9): 36-39. (CSCD，第一作者)
[5] 王启吾, 彭飞*, 方志. 钢筋超高性能混凝土偏压柱承载力计算方法. 工程力学, 2024, 网络首发. (EI，第一作者)
2. 发明专利
[1] 潘洪伟, 陈健, 孙敬明, 宿华祥, 王启吾. 一种拉杆-拱式连接及其制备方法与应用. 发明专利, 公开号: CN 118390682 B, 2024.8.20, 已授权.
来源 | 湖南大学研究生院
